Nota Febrero 2015 - Nota Febrero 2015

Nota Febrero, 2015

Curvas de disparo y regulación de interruptores automáticos

El propósito del presente informe es conocer las intensidades de falla que pueden producirse en un circuito de baja tensión y como un interruptor automático magnetotérmico actúa con el fin de proteger a la instalación de esta corriente no deseada. Finalmente se describirán los tipos de ajuste para interruptores automáticos y como comprobar las diferentes curvas de disparo para realizar selectividad en circuitos.

CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO Y CORRIENTE DE SOBRECARGA
INTERRUPTORES AUTOMATICOS CON PROTECCION MAGNETOTERMICA
APERTURA BRUSCA DE UN INTERRUPTOR CON PROTECCION MAGNETOTERMICA
SELECCION DE UN INTERRUPTOR CON PROTECCION MAGNETOTERMICA
CONCEPTO DE SELECTIVIDAD
CURVAS DE DISPARO DE AUTOMATICOS SIN POSIBILIDAD DE REGULACION
AJUSTES EN UN INTERRUPTOR AUTOMATICO REGULABLE
AJUSTES EN UN INTERRUPTOR CON REGULACION DE SOBRECARGA Y CORTOCIRCUITOEN TIEMPO Y MAGNITUD (SELECTIVIDAD CRONOMÉTRICA)
CURVE SELECT. SOFTWARE DE SIMULACION DE CURVAS DE DISPARO

Se produce cortocircuito cuando ocurre un contacto entre cualquiera de los conductores activos de una instalación eléctrica. Por tanto, un cortocircuito puede producirse entre fases o entre éstas y el conductor de neutro, en el caso de tensiones alternas, o entre polaridades distintas en el caso de corriente directa o continua.

Estos cortocircuitos se suelen producir por diversos motivos, siendo el más habitual el deterioro del elemento aislante de los conductores, produciéndose este deterioro por desgaste o corrosión por el medio. También existen otros motivos, como la aparición de un elemento no esperado o no previsto que provoca el paso de corriente entre conductores, tales como el agua o la aparición de elementos conductores que son desplazados involuntariamente. En el momento que se produce un cortocircuito, la resistencia de la carga de la instalación queda reducida a la de los conductores que provocan dicho cortocircuito.

Teniendo en cuenta que la intensidad que circulará será el resultado de dividir la tensión entre la carga, y que la carga, dependiendo de la longitud, grosor y material de los cables, pasa a ser prácticamente de unos cuantos ohmios e idealmente nula, tendremos una elevada intensidad circulando por los conductores.

La intensidad de cortocircuito vendrá determinada principalmente por la capacidad generadora de la fuente de tensión que alimenta el circuito. En el caso de corriente alterna se debe de comprobar principalmente la intensidad máxima de cortocircuito del transformador que alimenta la instalación. En cualquier caso, el valor de esta corriente suele ser lo suficientemente alto como para causar desperfectos que pueden ir desde la destrucción de algún elemento de la instalación hasta incendios que pueden provocar grandes pérdidas económicas e incluso de vidas humanas.

1. CORRIENTE DE SOBRECARGA

Se dice que una corriente es de sobrecarga o de sobreintensidad cuando sobrepasa el valor nominal o de trabajo que está fijado. Dicho valor de trabajo viene fijado por la corriente nominal de consumo de las cargas asignadas.

Las causas de una sobreintensidad suelen producirse por incidencias puntuales o averías que en un determinado periodo, acaban produciendo un sobreconsumo de corriente. Entre las incidencias más habituales encontraremos motores que son expuestos a un esfuerzo excesivo, instalaciones a las que se le conectan

elementos de un consumo mayor al previsto en su diseño inicial o simplemente un dimensionamiento erróneo del tamaño de los conductores que deriva en un sobrecalentamiento de los mismos.

Protegiendo cualquier circuito ante la aparición de una sobrecarga, alargamos la vida de los conductores y del resto de los elementos que componen la instalación, además de prevenir la aparición de desperfectos que pueden causar daños materiales que a su vez pueden ocasionar otros problemas más serios.

2. INTERRUPTORES AUTOMATICOS CON PROTECCION MAGNETOTERMICA

Un interruptor automático con protección magnetotérmica es aquel que es capaz de interrumpir el paso de corriente eléctrica cuando detecta un fallo por sobreintensidad o cortocircuito. A diferencia de un fusible, este tipo de interruptores son rearmables y pueden volver al trabajo una vez que se “disparan”.

La manera de detectar las anomalías por sobreintensidad o cortocircuito han ido evolucionando con el paso del tiempo a operaciones de tipo electrónico, pero aún hoy los principios de funcionamiento y detección de este tipo de anomalías siguen siendo válidos.

En el caso de disparo por sobreintensidad, el interruptor magnetotérmico trabaja según el efecto joule. Según este efecto, el interruptor identificará el paso de corriente mediante la alteración de la forma de un elemento bimetálico al cambio de temperatura. A más temperatura, mayor deformación del elemento.
En el caso del disparo por cortocircuito, la detección se basará en el uso de un electroimán. Al detectar un paso excesivo de corriente, el electroimán moverá un parte móvil que disparará el interruptor y abrirá los contactos protegiendo a la instalación del paso de esta corriente. Los valores de estas protecciones en los interruptores automáticos pueden ser fijos o variables.
En el caso de que sean fijos, la intensidad de empleo (In) del interruptor fijará también el valor de la intensidad de sobrecarga. En lo que respecta a la intensidad de cortocircuito del aparato, esta suele estar ligada a un número determinado de veces la intensidad de empleo del aparato. En el mercado existen de manera estándar unos tipos de curvas que marcan los valores de disparo por cortocircuito:
- Curva B : 3 - 5 x In
- Curva C : 5 - 10 x In
- Curva D : 10 - 20 x In
- Curva K : 8 - 12 x In
- Curva S : 13 - 17 x In
- Curva Z : 2 - 3 x In
En el caso de regulación variable del interruptor, se podrá fijar el valor de intensidad de sobrecarga y de cortocircuito. La intensidad por cortocircuito, será en este caso, determinada por un número de veces la intensidad de sobrecarga que hayamos regulado. Este número de veces podrá ser regulado o fijo dependiendo del modelo de interruptor escogido.

Existen en el mercado interruptores que pueden ser totalmente regulables, es decir que podemos ajustar ambos parámetros, o aquellos en los que únicamente uno de los dos puede serlo.

A continuación se detallan algunas definiciones respecto a la nomenclatura que se pueden encontrar en cualquier hoja de características de un interruptor automático.

En la página se muestra una tabla con distintos elementos de protección. La tabla se confecciona con aparatos de la gama de interruptores magnetotérmicos y automáticos de EATON.

Sobrecarga: También conocido como ajuste térmico o tipo de protección L. Este valor es fijado en función de la intensidad de empleo del aparato. Para realizar selectividad parcial o total deberemos de conocer las curvas características de disparo de cada aparato.

Cortocircuito: Es el valor al cual disparará el interruptor al circular una alta corriente provocada por un cortocircuito. Este valor puede ser instantáneo (tipo I) o retardado (tipo S). Para realizar selectividad total utilizaremos el ajustable por tiempo, de manera que no se solapen las diferentes curvas de los interruptores que intervienen. Para realizar selectividad total o parcial será necesario conocer las curvas características de disparo de cada aparato.

3. APERTURA BRUSCA DE UN INTERRUPTOR CON PROTECCION MAGNETOTERMICA

La principal característica en la construcción de un interruptor magnetotérmico es la capacidad de apertura de sus contactos ante un cortocircuito. Esta capacidad de apertura está determinada tanto por la velocidad de la misma, como por el calor que es capaz de disipar el interruptor.

En el momento de la detección del cortocircuito, el mecanismo de disparo del interruptor intentará abrir el circuito mediante la apertura de los contactos. Es en ese momento cuando aparece la primera dificultad, la elevada corriente que circula en ese instante creará un campo magnético que intentará mantener los contactos en posición estática.

Si el interruptor es apropiado para la corriente de cortocircuito que está circulando en ese momento, el mecanismo de disparo no tendrá problemas en vencer el campo magnético y abrir los contactos, pero entonces aparecerá la segunda dificultad a vencer. La ruptura brusca del paso de corriente y por tanto del campo magnético generado, terminará por ionizar el aire existente entre las dos superficies que antes estaban en contacto creando un arco de energía. El interruptor deberá ser capaz, tanto de disipar esa energía, como de soportar la chispa generada sin daños y extinguiéndola lo antes posible.

4. SELECCION DE UN INTERRUPTOR CON PROTECCION MAGNETOTERMICA

A la hora de seleccionar un interruptor automático, han de ser tenidos en cuenta varios aspectos tales como:

Los valores nominales de tensión y de corriente a la que trabajará.
El tipo de tensión, es decir alterna o continua.
La normativa vigente en el país donde se instalará el aparato.
La máxima intensidad de cortocircuito a la que deberá hacer frente.
La interacción con otros elementos en la instalación.

En lo que respecta a los tres primeros puntos indicados, no suele haber mayor complicación y los valores son sencillos de obtener ya que son inherentes a cualquier trabajo eléctrico en una instalación.

Uno de los principales obstáculos al escoger un interruptor automático, es determinar el poder de corte del mismo, y para escoger este poder de corte deberemos conocer la intensidad máxima de cortocircuito que circulará en el punto donde se instalará el interruptor. Como ya se ha dicho anteriormente, la intensidad de cortocircuito viene determinada principalmente por la fuente generadora de tensión, pero existen otros condicionantes como la cantidad de conductores y la longitud y sección de los mismos hasta el lugar donde el interruptor magnetotérmico será conectado. Todos estos parámetros no son difíciles de obtener cuando se comienza una instalación y se trabaja sobre un proyecto, pero la dificultad aumenta cuando hablamos de emplazar nueva maquinaria o instalaciones a medida en lugares donde ciertos datos técnicos son difíciles de localizar.

Otro de los aspectos al que se debe de prestar especial atención es a la interacción de los interruptores magnetotérmicos entre sí. Es decir, la selectividad.

5. CONCEPTO DE SELECTIVIDAD

Decimos que en un instalación existe selectividad cuando los diferentes elementos de protección se combinan entre si para obtener un mejor aprovechamiento de la energía eléctrica. Esto quiere decir que en el caso de eventuales incidencias en la instalación, los componentes de protección aislarán el fallo mediante la apertura del interruptor más próximo a dicho defecto, de manera que este defecto no provoque la interrupción del suministro continuo de energía al resto de los componentes de la instalación.

Existen dos tipos de selectividad.

PARCIAL: Es la que se produce entre un determinado rango de valores. Es decir, se produce selectividad parcial entre 2 interruptores cuando más allá de cierto valor de sobreintensidad no se puede asegurar selectividad.
TOTAL: Es la que asegura la selectividad en todo el rango de protección de los interruptores. Es decir, se produce selectividad total entre 2 interruptores cuando ante una sobreintensidad el interruptor más próximo al defecto garantiza su apertura antes de que lo haga el inmediatamente superior.

Existen varias técnicas para conseguir selectividad. A continuación se describen las dos más usuales.

Selectividad amperométrica: Es la técnica que consiste en ajustar los interruptores automáticos con distintos valores de disparo por intensidad de cortocircuito. Esta técnica tiene en cuenta que los valores más elevados de sobreintensidad se producirán más cerca del punto de defecto.
Selectividad cronométrica: Con esta técnica lo que hacemos es tener en cuenta tanto los valores de ajuste en intensidad como un tiempo de retardo tras el cual se producirá la apertura del interruptor.

En cuanto a las principales ventajas y desventajas de cada una de estas dos técnicas podríamos decir, que si bien la amperométrica es más rápida que la cronométrica en cuanto a tiempo de ejecución (recordar que en la cronométrica actuamos con tiempos de retardo), ésta última suele garantizar selectividad total y acostumbra a reducir los costes de la instalación debido a que no tenemos que adquirir elementos de cada vez más calibre.

Existen otras técnicas para realizar selectividad, tales como la selectividad de ZONA. En este caso los diferentes interruptores se combinan entre si mediante lecturas de intensidad en los mismos. En cuanto en alguna de esas lecturas se detecta una corriente de falla, uno o varias elementos de lógica programable abrirán el interruptor más adecuado con el fin de mantener el máximo de elementos

Tanto si se decide efectuar una selectividad amperométrica como si se opta por la cronométrica, la elección de los interruptores y su ajuste será determinante en el éxito de nuestro propósito. En capítulos sucesivos se describe como realizar el ajuste apropiado para 2 interruptores.

6. CURVAS DE DISPARO DE AUTOMATICOS SIN POSIBILIDAD DE REGULACION.

Para los casos que los interruptores tengan fijos los valores de disparo por sobrecarga y cortocircuito, se deberán identificar las curvas de disparo características. A continuación se pueden observar algunos ejemplos de estas curvas.

En el eje horizontal se representan los valores de corriente y en el eje vertical el tiempo. Es decir, que conociendo el valor de intensidad podremos saber fácilmente cuanto tiempo tardará en disparar el interruptor.

Las curvas representan en su parte alta los valores de disparo por sobrecarga. Siendo el valor de intensidad nominal de empleo el valor al que nunca llegará dicha curva y que el interruptor trabajará sin problemas. La parte baja de la curva sería la implicada en la actuación de protección magnetotérmica o por cortocircuito.

7. AJUSTES EN UN INTERRUPTOR AUTOMATICO REGULABLE

A continuación pasaremos a describir el ajuste de un interruptor con el disparador por sobrecarga y cortocircuito (térmica y magnética) regulables. Para ello tomaremos como ejemplo un interruptor magnetotérmico en caja moldeada de la gama NZM.

Como se aprecia en el gráfico, en la unidad de disparo del interruptor, encontramos 2 potenciómetros de ajuste. A la izquierda ajustaremos el valor de intensidad de sobrecarga, es decir “la parte alta de la curva de disparo”, y en el potenciómetro de la derecha el ajuste será para el disparo por cortocircuito, es decir la parte baja de la curva.

A continuación se realizará un ejemplo práctico para desarrollar las curvas de disparo de un interruptor automático. En este caso se escoge un interruptor automático de 200A el cual será regulable por sobrecarga entre 160 y 200 A. y por cortocircuito entre 1200 y 2000 A.

Dejando la regulación del magnético fijo (cortocircuito – el potenciómetro de la derecha), y únicamente se ajustará la ruleta de los valores de sobrecarga, la gráfica resultante sería la mostrada en la página siguiente:

En cambio, si se deja fijo el potenciómetro de ajuste del valor de sobrecarga a 200A y se ajusta con distintos valores la intensidad de protección por cortocircuito, la gráfica resultante será la siguiente:

En las gráficas anteriores puede verse como cambia la parte de arriba (curva térmica) y la parte de abajo (curva magnética) dependiendo de su ajuste. En ambos casos podemos ver en cuanto tiempo (representado en el eje vertical de la gráfica) saltará el interruptor en función de la intensidad (eje horizontal de la gráfica) A continuación se muestra un ejemplo de selectividad total entre un interruptor de 250A (con ajuste térmico a 200A y magnético a 2500A) combinado con uno de 125A (con ajuste térmico a 125A y magnetotérmico a 1000A).

En este ejemplo práctico vemos como las dos curvas de disparo no llegan a interponerse la una con la otra y de esta manera se garantiza que el interruptor de calibre más pequeño, ante una falla, actuará antes que el de mayor calibre. En el caso de instalaciones típicas en distribución de energía, este tipo de interruptores suelen proporcionar una buena selectividad, incluso combinándose con pequeños interruptores automáticos.

8. AJUSTES EN UN INTERRUPTOR CON REGULACION DE SOBRECARGA Y CORTOCIRCUITO EN TIEMPO Y MAGNITUD

Si en el caso anterior disponíamos únicamente de 2 ajustes, en los interruptores de tipo selectivo dispondremos de 4 o 5 potenciómetros de ajuste dependiendo del modelo de interruptor que escojamos. A continuación se representan los ajustes principales que servirán para modificar las características de disparo de nuestro interruptor:

A continuación se representa la gráfica resultante de los ajustes realizados en el ejemplo:

Como se puede apreciar la gráfica resultante adquiere una forma distinta a las que se ha visto en los interruptores sin regulación de tiempo. En el gráfico siguiente se puede apreciar la misma gráfica pero añadiendo un interruptor del mismo calibre pero con diferentes ajustes, comprobando de esta forma la flexibilidad en términos de regulación de este tipo de interruptores.

9. CURVE SELECT. SOFTWARE DE SIMULACION DE CURVAS DE DISPARO

Los siguientes elementos de protección pueden ser simulados mediante software:

Interruptores automáticos tipo NZM
Protección para motor tipo PKE
Protección para motor tipo PKZ
Protección para motor tipo ZB
FUSIBLES NH
CURVAS ESTANDAR B, C, D, K, S

El programa se puede configurar en idioma español y dispone de un amplio menú de ayuda. Para escoger el idioma español habrá que escribir Es en la página de configuración.

Una vez escogido el idioma Es, será necesario rellenar los campos de tensión nominal (generalmente 400 VAC) y de frecuencia de red (50 Hz).

A continuación se pasará directamente a escoger en cualquiera de las pestañas el tipo de elemento de protección del que queramos simular la curva. Como ejemplo se realizará la simulación de un interruptor NZM. Para ello se selecciona la pestaña NZM (tamaño 1, 2, 3 ó 4) y se rellenan los datos de ajuste.

Una vez rellenados los datos que se solicitan, la curva característica del interruptor aparecerá en la pestaña de presentación de curvas (Kennlinien<>Curves). Mediante el programa se podrán simular las curvas de disparado de varios elementos de protección al mismo tiempo. De esta manera se tendrá una apreciación de manera sencilla y precisa de todos los detalles, en cuanto a protección se refiere, del circuito diseñado. El programa también será útil para determinar el tipo de interruptor que se debe escoger al tratar de proteger instalaciones con motores o cualquier carga que requiera especial atención o simplemente para tratar de corregir defectos existentes en instalaciones con un mal diseño de origen.

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